如何理解自然生态系统中的多样化物种，以及复杂的动力学行为呢？这是生态学专家们一直以来想要实现的目标。

然而，由于自然界海量物种组成复杂的生态网络，定量预测生态稳定性和多样性需要测量生态网络的全部参数，显然这十分困难。因此多年来，科学家在理解以及阐述生物多样性和生态动力学方面，尚未形成统一的框架。

那么，人们是否可以借助一种简单的方式，来预测复杂群落的生物多样性和动力学呢？

近日，麻省理工学院（MIT）团队通过将理论以及微生物群落实验，证明在仅了解少数群落尺度的控制变量的前提下，就能预测复杂生态系统的行为。具体来说，通过热力学来表述大量气体分子的行为，在不用了解每个分子的坐标和速度的前提下，只需温度和压强等少数涌现的状态变量，就可实现预测行为。

图丨相关论文（来源：Science）

10 月 7 日，相关论文以《生态多样性和微观世界中绘制的动力学》（Emergent phases of ecological diversity and dynamics mapped in microcosms）为题发表在 Science 上[1]。

该论文通讯作者为 MIT 物理系教授杰夫・戈尔（Jeff Gore）、第一作者为 MIT 物理系博士后研究员胡脊梁。

图丨胡脊梁（来源：胡脊梁）

胡脊梁表示，“我们首次提出了生态群落的动力学相图，用一个有效的框架，将理论生态学最著名的两个成果整合到一起，为系统描述和预测复杂生态系统的行为提供了可能。”

将生态理论与实验工作“完美结合”

此前，复杂系统先驱罗伯特·梅（Robert May）等学者曾尝试，通过少量粗粒化参数（例如物种数量和种间相互作用强度的统计分布），去预测复杂生态网络的行为。这些理论学家的研究表明，大批物种以及较强的种间相互作用，将造成群落丧失稳定性。

除了稳定性，人们对群落的复杂行为的理解仍不完整。举例来说，认识物种多样性、混沌震荡、以及群落动力学和多样性的相互作用等。

（来源：胡脊梁）

MIT 杰夫・戈尔团队在生态网络发掘了一种近似的粗粒化描述方法，其实验和理论结果证明，仅了解两个粗粒化参数——物种数量和平均种间相互作用强度，就可对生态群落中呈现的动力学相为，以及相变进行预测。

该团队借助洛特卡－沃尔泰拉方程（Lotka-Volterra model）研究了不同参数下群落动力学行为的变化。他们发现，群落在三个呈现的动力学相可发生相变，而这种相变是由于物种数量、平均种间相互作用的增加而造成的。

具体表现在“两个变化”，第一，打破所有物种稳定共存相状态，变化为部分物种稳定共存相；第二，从部分物种稳定共存相，再转变为物种数量随时间持续震荡相。该团队还观察到，高物种多样性和群落持续震荡之间存在正反馈。

在生态学领域有一个问题一直讨论不绝——生物多样性，和群落稳定性的关系是怎么样的？胡脊梁解释道：“这个争议的主要原因是自然生态系统展现的复杂动力学，有两个可能的愿意，要么源自环境的随机震荡，要么由于生态网络的本征属性。

该团队受到统计物理启发，首次提出生态群落的动力学相图。利用理论框架，可在高维度的生态网络中，将少部分粗粒化的控制变量提炼出来。值得关注的是，这种方法或将在其他复杂系统的研究中。

图丨微生物群落实验证明了理论的预测（来源：Science）

该团队的实验系统对环境噪音进行的控制成效，验证了理论预测的结果：仅提供两个粗粒化参数——物种数量和种间相互作用强度，便能系统阐述复杂生态系统的动力学行为。他们的预测和理论框架对于生物学细节是鲁棒的，无论通过资源-消费者模型，还是通过 pH 模型，都会得出类似的生态动力学相图。

因此，他们提出的生物多样性和群落动力学的相图，在更多的生态系统中可能广泛适用。胡脊梁说：“未来，我们会尝试去确认动力学相图会不会在各种时空尺度下，对各种生命体组成的复杂生态群落具有普适性。”

哈佛医学院助理教授、布莱根妇女医院副教授刘洋彧对该论文评价道：“这篇论文将成为生态理论与实验工作完美结合的典范。该结论对人类微生物组稳定性研究将产生深远影响。我们知道，以前的许多研究都报道了人类的肠道、口腔和皮肤菌群的长期稳定性。我们很想知道，该论文描述的动力学相图是否适用于人类微生物组。

如果适用，那么人类微生物组是处于所有物种稳定共存相，还是部分物种稳定共存相？如果是后者，那么人类微生物组距离该论文描述的持续震荡相有多远？我想，回答这些基本的生态学问题，将会更好地帮助我们理解微生物组与人类健康的关系。”

该研究或将得到不同领域的科学家的关注。微生物群落的稳定性和多样性，对于不同微生物组的功能和健康至关重要（例如肠道菌群和土壤菌群）。

“我们运用的这几种生态动力学模型，也在很多其他生态系统的研究中被广泛应用。因此，我们的生态动力学相图，或对其他生态群落也同样适用。”胡脊梁表示。

首次提出生态群落的动力学相图

该团队着手从实验上检验理论预测的动力学震荡，他们用在土壤里分离的 48 种不同的细菌作为实验，以不同的细菌组合形成不同的微生物群落。

正如理论预测的那样，研究人员发现，无论是在实验中系统地增加微生物群落的物种数量，还是种间相互作用强度，都会使群落内的物种组成随着时间持续震荡。

种群持续震荡在两个方面的剧烈震荡有所体现，即总生物量以及不同物种比例。

胡脊梁认为，如何在实验上何调控不同细菌的种间相互作用强度，是该研究中最大的挑战。“我们发现，通过增加培养环境的葡萄糖和尿素的浓度，可以让细菌对环境 pH 产生剧烈改变，从而更强烈地和其他细菌相互作用。”

图丨实验微生物群落的相图（来源：Science）

从 16s 测序的相关结果来看，微生物群路的总生物和不同物种比例显示出几乎完全相同的结果。也就是说，同一个群落的这两个性质会达到两种状态其中之一，或是共同达到稳定态，或是同时震荡。

理论预测了生态系统的物种存活率随着物种数量的变化，其表现为先是迅速下降，再进入平缓区间。于此同时，既存活率未再快速下降、趋于平稳。

更有趣的是，计算结果显示在同样的条件下，震荡的群落总是比稳定的群落展现出更高的生物多样性。该团队根据实验数据研究后发现，其结果和理论预测几乎完全相同，群落震荡以及高物种多样性，二者呈强烈的正反馈。

图丨理论和实验结果一致，显示震荡的群落比稳定的群落展现出更高的生物多样性（来源：Science）

动力学震荡对物种多样性的保护作用可以理解为，有效生态位随着时间的震荡给更多物种的生存提供了可能。

胡脊梁表示，“想象某一组物种与另一组物种存在强烈竞争抑制，并且不能共存，这时如果两组物种随着时间保持有一定相位差的震荡，便能让双方生长在其各自不同的时间区间，而且在时间平均的意义前提下实现‘共存’状态。

致力于描述更广泛的生命系统中涌现的行为

MIT 物理系教授杰夫・戈尔（Jeff Gore）教授曾用酵母体系完成首次对于生态博弈论的实验观测，其团队的研究方向主要集中在细胞单体之间的相互作用，展现出微生物群落的复杂生态，和进化动力学行为的过程。

在胡脊梁师从戈尔教授读博之前，他在清华大学钱学森班完成了本科学习。目前，他是MIT生命系统物理学实验室独立博士后研究员。

近期，他对复杂微生物群落的时空演化尤为关注。“我对各种复杂多细胞体系的集群行为非常感兴趣，并希望通过复杂系统粗粒化的框架，去描述更广泛的生命系统中涌现的行为。”胡脊梁说。